[发明专利]用于跟踪和引导传感器和仪器的方法和系统

说明书

相关专利申请的相互应用

本申请是2013年3月7日提交的第13/789,143号美国专利申请的继续并且要求其权益，该美国专利申请要求2012年9月11日提交的第61/699,750号美国临时专利申请和2012年3月7日提交的第61/607,676号美国临时专利申请的权益，在此，为了各种目的，通过引用合并这些美国专利申请。

关于在联邦政府资助的研究和开发中做出的发明的权利的声明

不适用

技术领域

本申请总的来说涉及用于外科手术和其他环境的位置和方位确定装置。具体地说，本申请涉及用于医疗仪器和传感器探测器的计算机视觉和测距跟踪系统。

背景技术

当前，手持传感器系统用于几种应用，范围从环境化学调查、生物和放射性环境到医学诊断调查、疾病特征和术中指导和成像。因为它们是手持的，所以能够利用操作员的手的几乎全部的出色的灵活性和适应性立即对它们进行定位和定向。

在某些情况下，用户可能希望准确地知道传感器系统如何指向和指向什么地方。然而，手持传感器的灵活性和适应性还使得它们难以跟踪。在空间上使传感器和仪器对准的现有技术的方法困难、繁琐、昂贵、也不切实际。在几个例子中，传感器系统装备有全球定位系统(GPS)天线、惯性导航单元(INU)、磁传感器或者光学标记。

不幸的是，GPS仅提供粗略的有限空间分辨率并且当卫星的GPS信号弱时，工作不可靠。INU系统随着时间偏移。磁传感器通常用于跟踪空间上体积小的、约0.1至1平方米(m³)的对象。在受控的实验室环境下，磁传感 器能够提供在约0.2m³的体积内提供约1毫米(mm)的位置分辨率和在度范围内的定向精度。然而，当用于存在金属被测物的实际应用中，或者当相邻电子设备产生其他磁场时，0.2m³体积内的位置分辨率降低到几厘米。对于许多应用，包括采用多个电子仪器和金属物体的医学诊断和医疗干预，该位置分辨率都太粗了。附加到探测器上的光学标记要求对外部坐标测量机(CMM)相加系统具有直接和连续视线。通常，CMM相机系统笨重、昂贵并且对于采用手持系统或者希望采用手持系统的大多数应用不切实际。

第2009/0259123 A1号美国专利申请提出了一种CMM型系统，用于跟踪用于术中导航的乳腺癌前哨淋巴结活检的手持传感器和仪器。在此提出的系统利用外部红外线相机跟踪附加在手持探测器上或者手持仪器上的编码红外反射标记。该方法的一个缺点是需要在布置于手术台上方的外部相机与布置于探测器、仪器和样品上的所有标记之间存在连续视线。在手术过程中，外科医生的手、臂和头容易截断视线。

第2012/0253200 A1号美国专利申请利用以附加到现有成像探测器的托架结构的形式的放大装置以将结构光的图形投影到患者的皮肤或者器官上，以便于立体对象识别。

需要更好的廉价的并且更准确和精确地跟踪手持传感器和医疗仪器。

发明内容

公开了一种与机器视觉相机系统共享外壳的超声变换器。集成相机观看诸如患者身体的对象，并且确定超声变换器相对于对象的在空间中的x、y、z位置以及俯仰、偏转和滚转。将该时点的位置和方位与同一个时点的超声扫描一起保存在记录文件中作为“空间对准扫描”。将身体同一个区域的多个空间对准扫描进行比较，以减小超声赝象和斑点，并且能够改善组织类型和弹性特性。对用户示出组织的三维(3-D)模型。

对于具有许多曲面的对象，能够将基准标记固定到对象，或者作为分段柔性带重叠。该标记可以用采用二维编码，从而将它们互相识别开。

3-D模型能够用于远程医疗和立体定向。系统或者计算机的远程用户能够指导本地操作员或者机器人装置将医疗仪器移动到特定点上或者在患者身体内移动。诸如方向箭头或者虚拟空间渲染之类的图形指导元素能够用于指导本地操作员。

超声变换器之外的其他传感器探测器也可以用于空间对准扫描，诸如雷达、太赫兹辐射检测器、术中伽马射线探测器、辐射检测器、辐射剂量计和化学传感器。

本发明的某些实施例涉及一种空间对准设备，包括：刚性外壳组件；超声变换器，具有由外壳包裹的部分；相机，具有由外壳组件包裹的部分，并且与超声变换器刚性连接；以及至少一个处理器，与存储器和相机可操作地耦合，该存储器具有由至少一个处理器执行的指令，配置为利用由相机捕获的图像确定超声变换器相对于对象的空间位置和方位。